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ENIG印刷电路板的金层厚度品质会影响零件掉落？

188金宝搏苹果下载 这次要来跟大家来聊聊ENIG表面处理的PCB一个可能被很多人忽略的问题，那就是「ENIG的金层厚度是否会造成焊锡后的零件掉落呢？」

话说188金宝搏苹果下载 以前工作的内容，有一部分是负责管理代工厂的生产工程品质相关事项，而这个案例就是发生在188金宝搏苹果下载 以前管理代工厂时遇到的。

188金宝搏苹果下载 所管理的SMT代工厂，有一阵子突然与电路板的生产厂商打起了笔仗，自从电子邮件发明以来，明明只要拿起电话就可以直接跟对方沟通，却有很多人喜欢用电子邮件email来email去的，有时候对方明明就坐在办公室的隔壁，也要写电子邮件吵架，总之188金宝搏苹果下载 就看到双方的电子邮件一直飞来飞去，然后都copy给我，而双方吵架的重点则是一直围绕在 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold，化镍浸金)表面处理PCB的镀金厚度规格上。

建议延伸阅读：电子邮件礼仪－如何正确使用电子邮件

这里应该不用188金宝搏苹果下载 在介绍什么是ENIG表面处理了吧？如果你还是想了解什么是ENIG，188金宝搏苹果下载 虽然没有做过相关的影片，但你可以到188金宝搏苹果下载 的部落格来阅读相关的文章。

• 为什么IMC已经形成有效焊接但零件掉落还是发生IMC层断裂之观念澄清
• 何谓IMC (Intermetallic Compound)？IMC与PCB焊接强度有何关系？IMC厚度有IPC标准？

而两造双方吵架的原因是SMT工厂最近生产了一批ENIG的PCBA，经过SMT组装及板阶测试后都没发现问题，直到将PCBA装进机壳做整机组装时，才发现有电子零件会从PCB上掉落下来。

一开始SMT工厂强烈认定，零件掉落是ENIG的黑垫(Black pad)问题所造成，因为从PCB零件掉落处的焊垫看起来呈现出黑垫的颜色，而且大部份的焊垫也都随着零件整个从PCB剥离连接在零件引脚上，所以SMT工厂推想，焊锡的断裂面应该是出现在化镍(Electroless Nickel)层或富磷(P-rich)层的位置。

讲到了这里，还是得先复习一下ENIG的金属结构层，ENIG的底层为铜金属，然后在铜的上面会沉积一层化学镍，这个过程会使用到含磷(P)的还原剂来将镍离子还原成镍金属，所以会有少许的磷存在于ENIG的镍层当中，随后在镍层的上面再覆盖一层浸镀金，以作为最外层的金属保护层，在高温焊接的时候，存在于镍层中的磷会渐渐地往镍层的表面集中，最终在镍层与IMC层形成一道富磷层(P-rich layer)。

Youtube 短影音：ENIG表面处理PCB的金属层结构补充说明

接着我们再来说说这个案例，其实我们公司的产品是全部外包给1 工厂来生产的，所以代工厂当然得负责生产的品质，不过外包作业有时就是会有许多扯不清楚的地方，尤其是关系到责任的归属与赔偿问题时，以这次的事件来说，就看到SMT代工厂与电路板生产厂商两边来来回回的打了好几回合的仗，这边说是黑垫的问题，因为做了切片打了EDX及SEM，认为磷(P)的含量有点偏高；那边又说他们也做了切片也打了EDX及SEM，可是磷(P)的含量应该在正常的范围内；这边接着说金层太薄了，小于1.0µ”，那边又辩说金层在焊锡中根本就没有太多用处…等。可是说来说去，却没有一方真正用心做切片，然后分析零件究竟是从焊锡的哪一个层面剥离的？是IMC长得不好所造成？还是回焊温度加热不足造成造成焊锡不良？又或是镍层氧化焊接强度变弱所造成？

弄到后来，变成我们公司的货无法及时生产与出货了，最后还是得188金宝搏苹果下载 自己跳下来作仲裁，把双方人马通通抓进来各打100大板，喔！不是，是把双方人马找过来一起开会讨论原因与解决方法！这是当客户的优势之一，只要自己发话，双方人马多少都会卖面子，但是想要当仲裁者，也得有两把刷子，否则节奏很容易就被别人带着越走越远。

一、瞭解现状

188金宝搏苹果下载 召开多方会议后的第一个动作，当然就是先瞭解现况。先确认零件掉落的是电源连接器，而且只发生在后段产品的整机组装时，这或许是因为只有整机组装及最后测试(Final Test)的时候才会对I/O零件做实际插拔操作，所以，前面的SMT生产以及ICT板阶的电性测试都没有发现到有零件掉落的问题。

而SMT工厂在发现问题后，也针对生产有问题的批号及之前没有问题的组装电路板(PCBA)做了推力的测试，发现良品PCBA的零件可以承受推力到6～8Kg-f都不会掉落，而不良品的PCBA只要推到2Kg-f不到，零件就会掉落。

二、短期措施

所以短期措施就决定先用推力测试的方式来Sorting(挑选)还在WIP中的良品及不良品，不过针对作过推力且没有掉落零件的PCBA，则要求需要再重新手焊补强焊锡，目的是为了确保零件没有因为执行推力而引起细微的焊点龟裂，导致信赖度降低的问题；至于已经整机组装好的完成品(FGI)，可就得伤点脑筋了。

我们最后决定是，以最后入库的一批产品先作100％的插拔测试，然后按AQL0.4抽样拆机检查零件推力，其他的批号则以栈板为单位，作100%的插拔测试，而且每个栈板还要再随机抽2台产品出来作推力测试。这可是个大工程啊！

三、追查真因

接着就是推敲与釐清零件掉落的真因了，其实零件掉落的原因不外乎最前面提到的几个可能性，只要认真检查掉落零件剖面切片，确认断裂面发生在什么地方，大概就可以知道问题出在哪里了：

• 如果零件引脚上根本就没沾到锡，那肯定是零件脚氧化或是锡膏氧化所造成。

• 如果根本就没有看到IMC生长，那回焊(reflow)热量不足应该佔大部分。

• 如果是断裂在IMC层的表面，也就是在IMC层与焊锡之间，就要看IMC的生长有没有问题，假设设计上没有什么问题，而IMC长得不好，则可能是Reflow温度不足，或是镍层氧化…等问题。

• 如果断裂处发生在IMC与镍层之间，可以检查富磷层是否明显，建议一定要打元素分析，看看含磷量是否过高。如果富磷层明显而且过厚就会影响到日后的可靠性，也会引起结构强度不足的问题；另外也可能是镍层氧化造成焊接强度不足。

接着188金宝搏苹果下载 要求双方把各自做过的切片证据拿出来讨论，结果发现双方都只能拿出对自己要有利的部分，于是188金宝搏苹果下载 要求双方必须分别找出有问题及没有问题的PCB及PCBA，来做零件掉落处焊垫的剖面切片(cross-section)，等待下次讨论，然后就先结束这一回合。

建议延伸阅读：PCB不良分析时应该用红墨水染色或切片的优缺点

等到第二次开会，SMT工厂依据188金宝搏苹果下载 的要求提供了需要的切片照片。而板厂因为没有SMT，仅先提供金层的厚度资料，而无法提供切片的资讯，之后经本人同意让SMT厂送两片不良PCBA过去给板厂做分析，当然，这些在日后结算时可都是会计算成本的。

下面的照片是SMT工厂分别拿取了有问题的PCBA，然后在有零件掉落的焊垫与零件没有掉落的焊垫上作切片，另外再拿一片之前生产没有问题的PCBA，在现在发现零件掉落的焊垫上作的切片。

说明	切片图片
这张图片是拿有问题的PCBA在零件掉落焊垫处作的切片。 可以很明显看得出来，零件掉落焊垫的IMC虽然有些有长出来，但却是长得断断续续的，而且还依稀可以看到有圆形的AuSn及AuSn2未来得及逸走的痕迹（因为没有打元素成份分析，所以188金宝搏苹果下载 个人也不太敢确定是否金没有完全融入焊锡中）。看照片，IMC应该是没有长完全。 对金层在焊锡中扮演脚色方面有兴趣可以参考188金宝搏苹果下载 之前写过的【浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色】一文。）
这张图片是拿有问题的PCBA在有掉落零件的其他未掉落零件焊垫处作的切片。 照片显示这颗零件焊垫上的IMC生长是正常的，而且金层也已经完全融入到了焊锡当中，不见踪影。
这张照片是拿以前没有问题的板子 切片检查同一个零件掉落的位置，发现IMC长成也是正常。

就这样经过了连续几天紧迫盯人的追踪与讨论下来，真相似乎也渐渐有了眉目，我们发现零件掉落的断裂面是出现在IMC层与镍层之间，而有问题PCBA的IMC层虽然有长出来，但长得似乎并不是很完全的样子，IMC层看起来有些断断续续的，也就是长起来有些不连续。

两造双方也都在断裂的镍层表面中发现了大量的O(氧)元素，虽然SMT厂还是坚持有镍层腐蚀(Ni Erosion)发生黑垫可能性，而PCB板厂则坚持说这不是镍层腐蚀，而应该是镍层氧化(Ni oxidization)后所造成，188金宝搏苹果下载 虽然依稀觉得PCB板厂可能没有把全部的真相说出来，但至少到目前为止，PCB板厂已经初步承认其PCB的制程中应该是存在问题的，而且他们也承认在其某条金槽的管控上发现了些许问题，最后也同意吸收这次事件的全部损失，所以我们也就不再继续往下扒粪。

只是「镍层腐蚀(Nickel erosion)」与「镍层氧化(Ni oxidation)」在金层厚度的控制上似乎刚好是完全颠倒，也或许是188金宝搏苹果下载 对这些知识的认识还不是很足够吧！

聊到这里，可能还有些朋友不是清楚什么是IMC？也不了解IMC应该要长成什么样子才是好的？188金宝搏苹果下载 这里也不再赘述什么是IMC，而是要请有兴趣去看一下188金宝搏苹果下载 以前做过的这支与IMC有关的影片。

• 什么是 IMC (Intermetallic Compounds, 介金属共化物)是焊接的必然物
• IMC补充说明计算(用EDS/EDX的元素成份分析计算IMC化学式)
• BGA发生锡裂一定是焊锡问题吗？锡裂原因与解决方法探讨
• BGA锡裂一定是焊锡问题吗(II)？PCBA包含有那些结合力

另外，也可以请大家来188金宝搏苹果下载 的部落格看一下这几篇相关的文章：

• [短篇小说]解密BGA的焊接之谜06：IMC是什么
• ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施
• 为什么IMC已经形成有效焊接但零件掉落还是发生IMC层断裂之观念澄清
• 何谓IMC (Intermetallic Compound)？IMC与PCB焊接强度有何关系？IMC厚度有IPC标准？

四、结案

依据IPC4552对ENIG的要求，浸金层的厚度不得低于0.05µm(换算成英制为1.97µ”)，但这个0.05µm厚度必需要控制在4个标准差的最小厚度内，典型的金层厚度范围在0.075µm~0.125µm，也就是2.955µ”~4.925µ”，所以我们一般会说浸金层的厚度建议在2µ”～5µ”之间，而化学镍层则要求要在3µm～6µm，也就是在118µ”~236µ”之间。

不过金层也不能太厚，因为金层太厚会加剧金与镍在介面处的置换反应，导致镍层被破坏，而发生「镍腐蚀」现象，甚至发生「黑垫」问题；另外，金如果太厚，在焊锡时就无法有效完全融入到焊锡当中，金如果堆积在IMC介面处将会造成金脆，所以，「金」在焊锡的结构中是不利焊锡强度的，这也是为何我们会说ENIG的金层厚度只要可以保护底层镍不会与空气接触而氧化，金层的厚度应该越薄越好。

但是，金层如果太薄，薄到无法完全覆盖住整个镍层，一旦PCB存放在库房一段时间后，要再拿出来焊接，就容易出现镍层氧化而造成拒焊的现象，所以「金」在ENIG的最主要目的在防止电路板的焊垫氧化，确保焊接的品质，其次就是为了得到较佳的接触电性。至于「镍」的目的何在？就要请大家参考188金宝搏苹果下载 在部落格写过的这篇文章了《电子工业中零件或电路板镀镍的目的何在？》

只不过大家也都知道，后来金价飙涨，所以我们公司的ENIG表面处理PCB的镀金厚度，也从原本的最少2.0µ”下降到1.2µ”以上就可以，也就是说金层厚度已经薄到不能再薄了，再加上我们公司的PCB有时候一放就是三个月～半年，有些还会存放超过一年，着实让人担心，老实说我们还在密切观察这样的金层厚度会不会有什么副作用出现，不过上面的老闆既然已经答应供应商且决定如此，我们也只能等着后续的发展了。

而这次出问题的PCB，大概在库房存放了三个月左右，基本上还在有效期限内，不过有问题板子的金层厚度量出来大约只有1.0µ”而已，有些甚至更薄。而根据PCB板厂最后回答的8D报告，结论是因为他们家PCB的金层厚度控制是以2mmx2mm的方框来作为控制量测的基准，但这次出问题的焊垫大小，实际上比这个尺寸要大得多，所以出问题焊垫的金层厚度并没有受到管控，造成有些板子的浸镀金厚度不足，至使部份板子的镍层氧化，最后形成焊接强度不足的现象。

这里有一篇ENIG的黑垫相关的文章，建议大家可以参考《ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施》

五、后记

也是经过了许久时间以后，188金宝搏苹果下载 才知道，浸镀金在沉积的过程中，尺寸较小的焊垫会产生较高的局部电流密度，这会导致金层在较小的区域中可以沉积得更快且更厚。相反地，较大的焊垫面积会有较低的电流密度，因此金层的沉积速度会比较慢，这导致厚度相对比较薄。这种效应称之为「边缘效应(Edge Effect)」，可能会导致同一个焊垫或不同焊垫间有不一致的镀金厚度分佈，进而影响焊接品质及可靠性。所以，在做ENIG的金层厚度品质管控时，建议要同时量测最大与最小焊垫的金层厚度，这样才能更准确地反映PCB整体的镀层品质，避免在实际应用中因为金层厚度不均造成可靠性问题。

YouTube影片：用案例说明ENIG印刷电路板的金层厚度品质是否影响零件从PCB掉落?

Podcast：用案例说明ENIG印刷电路板的金层厚度品质是否影响零件从PCB掉落?

延伸阅读：

• 连接器使用一段时间后掉落问题探讨
• 浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色
• 如何判断BGA掉件是SMT工厂制程或是设计问题?
• 用渗透染红试验 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊锡